С. А.МАДАТЯН, д-р техн. наук, проф., В.В.ДЕГТЯРЕВ, инж. (НИИЖБ), Прочность изгибаемых элементов, армированных стержнями класса А500С, соединенными внахлестку без сварки
При строительстве зданий и сооружений из монолитного железобетона в последнее время всё больше применяют вязаные соединения арматуры внахлёстку, отказываясь от сварки. Это, прежде всего, связано с высокой стоимостью электроэнергии; необходимостью использования высококвалифицированных сварщиков; более сложным контролем качества сварных соединений; большей трудоёмкостью сварных соединений при большом количестве стыкуемых стержней. И хотя при использовании соединений арматуры внахлёстку без сварки расходуется большее количество арматуры, использование таких соединений в настоящее время получается более выгодным по сравнению со сварными.
В настоящее время в России осуществляется переход на применение в строительстве арматуры класса А500С, имеющей серповидный периодический профиль. В связи с этим возросла актуальность определения длины нахлёстки, так как ныне действующий СНиП 2.03.01-84 построен на опыте применения арматуры кольцевого периодического профиля.
Последние исследования этого вопроса в нашей стране были проведены в 50-х годах прошлого века Н.М. Мулиным, С.А. Дмитриевым и Н.Н. Лессиг [1]. Ими были испытаны железобетонные балки, армированные стержнями кольцевого периодического профиля различных диаметров, соединёнными в середине пролёта внахлёстку без сварки. Предел текучести арматуры был равен 350 Н/мм2. Соединения внахлёстку располагались в растянутой зоне балок. Длина перепуска составляла 30d. В одном сечении стыковалось 100 % рабочей арматуры. В пределах длины нахлёстки устанавливались огибающие хомуты диаметром 8 мм с шагом 150 мм (Pv=0,005). Эти исследования показали, что при длине нахлёстки 30ds и прочности бетона выше 19 Н/мм2 арматура балок была доведена до предела текучести. То есть для полного использования арматуры было достаточно длины нахлёстки 30d.
Целью настоящей работы было определение длины нахлёстки, обеспечивающей надёжную анкеровку арматуры класса А500С с серповидным периодическим профилем в растянутом бетоне и сравнение её с длиной нахлёстки арматуры кольцевого периодического профиля.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- исследовать влияние длины нахлёстки, как с огибающими хомутами в её пределах, так и без них, на прочность, деформативность и трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов;
- исследовать влияние объёмного коэффициента армирования в пределах длины нахлёстки на прочность, деформативность и трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов;
- исследовать влияние вида периодического профиля арматуры на прочность, деформативность и трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов;
- исследовать влияние прочности бетона на прочность, деформативность и трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов.
Для достижения поставленной цели были изготовлены и испытаны 32 опытные балки, армированные в растянутой зоне стержнями арматуры класса А500С, соединёнными внахлёстку без сварки.
В качестве варьируемых факторов эксперимента были приняты:
- длина нахлёстки при отсутствии в её пределах поперечной арматуры (10d, 20d и 30d);
- длина нахлёстки при наличии в её пределах поперечной арматуры (огибающих хомутов) (10d, 20d и 30d);
- объёмный коэффициент армирования pv в пределах длины нахлёстки (0,005; 0,01; 0,016);
- вид периодического профиля арматуры (серповидный с fr=0,071 и кольцевой с fr=0,117);
- прочность бетона (31,5; 38,6 и 42,3 Н/мм2).
В настоящей работе приводятся данные о влиянии исследуемых факторов на прочность железобетонных изгибаемых элементов.
Опытные балки имели размеры поперечного сечения 160x120 мм и были длиной 1400 мм. На рис.1 показана конструкция одной из опытных балок с длиной нахлёстки 30d и с шагом поперечной арматуры в пределах стыка 40 мм (pv=0,016).
Растянутая зона балок была армирована стержнями горячекатаной арматуры класса А500С диаметром 14 мм. Сжатая зона балок была армирована стержнями диаметром 12 мм.
Поперечное армирование в крайних третях пролёта было выполнено гнутыми хомутами, огибающими продольную арматуру. Хомуты были изготовлены из проволоки класса Вр-I диаметром 5 мм и установлены с шагом 25 мм в соответствии с расчётом прочности балки по сечению, наклонному к продольной оси. Соединение продольных стержней и хомутов осуществлялось вязальной проволокой. Для установки в проектное положение стыкуемые продольные стержни в пределах длины нахлёстки были соединены между собой вязальной проволокой в трёх местах.
Поперечная арматура в пределах длины нахлёстки была принята в виде гнутых хомутов из проволоки класса Вр-I диаметром 5 мм, огибающих продольную арматуру.
Испытания железобетонных свободно опёртых балок проводились ка специальной установке двумя сосредоточенными силами. Расстояние между силами составляло 500 мм. Такая длина зоны чистого изгиба была принята для того, чтобы стык арматуры внахлёстку находился в пределах этой зоны. Нагружение осуществлялось гидравлическим домкратом с помощью ручной насосной станции и контролировалось по манометру насосной станции.
На каждом этапе нагружения в зоне чистого изгиба балки на базе 100 мм измерялись средние деформации бетона на различных уровнях по высоте сечения электромеханическими тензометрами Аистова с ценой деления 0,001 мм (рис. 2). В пределах стыка стержней замерялись поперечные и продольные деформации бетона на уровне растянутой арматуры. Поперечные деформации измерялись электромеханическими тензометрами Аистова с базой 50 мм. Прогибы балок в середине пролёта и в местах приложения нагрузки фиксировались индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Результаты испытаний показали следующее.
Разрушение опытных образцов с длиной нахлёстки от 10d до 30d без поперечной арматуры в зоне стыка (серия 1) происходило от сдвига арматуры относительно бетона. Разрушение было хрупким и сопровождалось образованием продольных трещин на боковых и верхней (растянутой) гранях балки в зоне стыка. При дальнейшем увеличении нагрузки защитный слой бетона в зоне стыка отслаивался.
Зависимость относительной прочности опытных балок Ми,оост/Ми,ц (Ми,сост - разрушающий момент балок с составными стержнями; Ми,ц - разрушающий момент балок с целыми стержнями) от относительной длины нахлёстки для балок без поперечной арматуры в зоне стыка была практически линейной (рис. 3).
Как видно из рис. 3, в опытных балках без поперечной арматуры в зоне стыка длины нахлёстки 30d оказалось недостаточно для получения прочности прочности балок с целыми СТерЖНЯМИ (Ми.сост/Ми,ц<1). И это притом, что длина нахлестки, вычисленная по ТСН 102-00 [2] получается равной 30d. Здесь следует отметить, что отечественными нормами проектирования не допускается стыкование внахлёстку в одном сечении более 50 % рабочей арматуры. В испытанных же балках все растянутые стержни арматуры стыковались в одном сечении, что было вызвано необходимостью проверки работы стыка в наиболее тяжёлых условиях.
Образование продольных трещин раскалывания, наблюдавшееся при испытаниях балок первой серии, вызвано растягивающими напряжениями, действующими в направлении перпендикулярном к нахлёстке и возникающими при смещении арматурного стержня относительно бетона. Трещины раскалывания значительно снижают прочность сцепления арматуры с бетоном. Для восприятия растягивающих напряжений в перпендикулярном к заделке направлении должна быть установлена поперечная арматура.
Влияние длины нахлёстки при наличии в её пределах огибающих хомутов на прочность изгибаемых элементов оценивалось по результатам испытаний опытных балок второй серии. Длина нахлёстки варьировалась в пределах от 10ds (140 мм) до 30ds (420 мм). Поперечная арматура была установлена с шагом 40 мм (pv=0,016).
Разрушение опытных балок с длиной нахлёстки 10d и 20d происходило от сдвига арматуры относительно бетона.
Разрушение опытных балок с длиной нахлёстки 30d происходило после достижения арматурой предела текучести при значении разрушающего момента большем или равном значению разрушающего момента балок, армированных целыми стержнями. При дальнейшем увеличении нагрузки происходил сдвиг арматуры относительно бетона в зоне стыка, сопровождавшийся отслаиванием защитного слоя бетона.
На рис. 4 показан график зависимости относительной прочности опытных балок от длины нахлёстки для балок серии 2. Из этого графика видно, что для балок серии 2, так же как и для балок первой серии, имела место практически линейная зависимость относительной прочности от относительной длины нахлёстки.
Постановка в пределах стыка хомутов с шагом 40 мм (pv=0,016) привела к увеличению прочности опытных балок с длиной нахлёстки 10d, 20d и 30d соответственно на 76,46 и 35 % по сравнению с балками без хомутов в пределах стыка.
При длине нахлёстки равной 30d и наличии в её пределах огибающих хомутов с объёмным коэффициентом армирования ру=0,016 прочность балок с составными стержнями была больше или равна прочности балок с целыми стержнями.
Влияние объёмного коэффициента армирования в пределах длины нахлёстки на прочность изгибаемых элементов исследовалось на балках серии 3. Объёмный коэффициент армирования был равен 0,005; 0,01 и 0,016 при длине нахлёстки 30d и прочности бетона 42,3 Н/мм2.
Разрушение опытных балок с объёмным коэффициентом армирования 0,005 происходило от сдвига арматуры относительно бетона.
Разрушение опытных балок с объёмным коэффициентом армирования 0,01 и 0,016 происходило после достижения арматурой предела текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки происходил сдвиг арматуры относительно бетона в зоне стыка сопровождавшийся отслаиванием защитного слоя бетона.
График зависимости относительной прочности опытных балок от объёмного коэффициента армирования в пределах стыка приведен на рис.5. Как видно из этого графика, с увеличением объёмного коэффициента армирования от 0,005 до 0,01 прочность опытных балок увеличивалась на 20 %. При дальнейшем увеличении объёмного коэффициента армирования до 0,016 прочность опытных балок не изменялась и была равна прочности балок, армированных целыми стержнями.
Влияние вида периодического профиля арматуры на прочность изгибаемых элементов исследовалось на балках серии 4.
Было принято два вида периодического профиля арматуры: серповидный с fr=0,071 и кольцевой С fr=0,117.
Длина нахлёстки была равна 20d, в её пределах была установлена поперечная арматура в виде огибающих хомутов с шагом 67мм (pv=0,01).
Влияние прочности бетона на прочность изгибаемых железобетонных элементов, армированных стержнями, соединёнными внахлёстку без сварки исследовалось на опытных балках серии 5. Прочность бетона была равна 31,5; 38,6 и 42,3 Н/мм2. Длина нахлёстки равнялась 30d. В пределах стыка были установлены огибающие хомуты с шагом 40 мм (Mv=0,016).
Разрушение всех опытных балок этой серии произошло пластично, после достижения арматурой предела текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки происходил сдвиг арматуры относительно бетона в зоне стыка, сопровождавшийся отслоением защитного слоя бетона.
Влияние прочности бетона на прочность опытных балок, армированных стержнями, соединёнными внахлёстку без сварки установить не удалось, так как все образцы разрушились при
На основании всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В исследованных балках, изготовленных из бетона прочностью 31,5 Н/мм2 и выше для обеспечения прочности балок, армированных стержнями класса А500С, соединёнными внахлёстку без сварки, равной прочности балок, армированных целыми стержнями достаточно длины нахлёстки 30d при объёмном коэффициенте армирования 0,016. В балках, изготовленных из бетона прочностью 42,3 Н/мм2 достаточно длины нахлёстки 30d при объёмном коэффициенте армирования 0,01.
2. Сравнение полученного значения длины нахлёстки для арматуры серповидного периодического профиля со значением длины нахлёстки для арматуры кольцевого периодического профиля (опыты Н.М. Мулина, С.А. Дмитриева и Н.Н. Лессиг) показало, что значение длины нахлёстки практически не зависит от вида периодического профиля арматуры (серповидный или кольцевой). Это значение определяется в основном комплексом конструктивных факторов, влияющих на сцепление арматуры с бетоном. Поэтому при расчёте значения длины нахлёстки по СНиП 2.03.01-84 вид периодического профиля (серповидный или кольцевой) может не учитываться.
3. Для восприятия растягивающих напряжений, действующих в поперечном к нахлёстке направлении и возникающих при смещении стержней относительно бетона, в зоне стыка обязательно должна быть установлена поперечная арматура. Результаты испытаний показали, что для опытных балок минимально необходимое значение объёмного коэффициента армирования было равно 0,01 и 0,016, соответственно при прочности бетона 42,3 и 31,5 Н/мм. Такое минимально необходимое количество поперечной арматуры в зоне стыка согласуется с требованиями DIN 1045. Поэтому считаем целесообразным, вычислять минимально необходимое количество поперечной арматуры в пределах длины нахлёстки по DIN 1045.
Бетон и железобетон, 2002 №1